Apesar de terem uma aparência sólida, as nuvens são coleções de gotículas de água, cristais de gelo ou uma mistura dos dois. Desde tempos remotos, as pessoas observam o céu e sua infinidade de nuvens de formas diferentes. Mas, além de sua beleza, as nuvens são importantes para o clima porque são elas as grandes responsáveis pela quantidade de radiação solar que chega na superfície de nosso planeta. São elas quem indicam as condições predominantes, passadas e, o mais importante, as futuras condições da atmosfera.
Todas as nuvens são produtos de temperatura, elevação e seu resfriamento adiabaticamente. A forma da nuvem depende de como o ar move-se verticalmente e da altura na qual o ar resfria-se até seu ponto de condensação. O ar pode ser forçado a elevar-se por:
1) aquecimento local, ou convecção direta (esquema 1);
2) efeito da topografia (esquema 2 - esquerda);
3) efeito de frentes (esquema 2 - direita);
4) convergência.
O aquecimento da atmosfera resulta na elevação verticalmente do ar na atmosfera, geralmente até a camada limite. A topografia do local também é importante onde há morros, montanhas ou algum tipo de inclinação, já que estes também causam a elevação do ar. As frentes podem provocar a elevação tanto gentilmente quanto bruscamente, dependendo do tipo de frente que é, enquanto a convergência geralmente resulta na elevação do ar bruscamente além da camada limite.
Quando o ar move-se verticalmente a temperatura irá decrescer, o que é conhecido como resfriamento adiabático. Este movimento é restrito à colunas independentes de ar, que podem ser vastamente espalhadas ou relativamente compactadas. Em qualquer um dos casos, a temperatura através das colunas de ar é a mesma horizontalmente.
Consequentemente, o ponto de condensação desses corpos de ar em elevação alcançarão o mesmo valor, produzindo nuvens de mesma pressão, até bases, todas na mesma altura. A espessura vertical da nuvem depende da altura que a nuvem sobe após ter atingido seu ponto de condensação e da quantidade de umidade disponível. Claramente, este processo será responsável pela formação de nuvens cumulus (vide figura 1) e, se a elevação for exagerada, nuvens cumulonimbus (vide figura 2). Portanto, nuvens cumulus se formam de colunas de ar isoladas e localizadas ou de colunas adjacentes ao longo de uma elevação brusca do ar provocada por um relevo elevado.
Esquema 1- Coluna de ar quente ascendente produzindo uma nuvem tipo cumulus.
Quando ar quente encontra uma massa de ar frio, o ar quente se aloja sob a massa. Note que o ar quente passando por cima do ar frio tem uma considerável extensão horizontal. Quando a camada de ar quente eleva-se por causa do ar frio, ocorre o resfriamento adiabático causando a condensação da umidade que continua conforme o ar sobe. Este processo ocorre mais ou menos uniformemente por toda a camada de ar quente e produz uma manta de nuvem tipo stratus (vide figura 3). Assim, a rampa de nuvem formada será mais espessa perto do chão, tendo mais umidade em altitudes mais baixas, e as nuvens baixas serão cobertas pelas nuvens médias e altas. Este processo está indicado no esquema, mostrando a seqüência de formação de nuvens tipo stratus. Logo vemos que as nuvens devem ser mais finas e geralmente mais claras quanto mais alta é a elevação do ar. Quanto mais no alto está a camada de nuvem desta elevação, mais espalhadas e separadas serão. Estas são as nuvens tipo cirrus (vide figura 4). Logo atrás do cirrus, a massa espessa-se. A porção mais alta e fina da camada será do tipo cirrostratus. Então, conforme decresce a altitude a série passa para espesso altostratus (vide figura 5), stratus ou nimbostratus (vide figura 6), que são associados com precipitação.
Esquema 2 - Produção de nuvens tipo cumulus pela elevação do ar ao longo de uma montanha (esquerda) e pela elevação do ar ao encontrar uma massa de ar frio.
Este tipo de elevação do ar está demonstrado no esquema 3. Nestas condições há o desenvolvimento de nuvens tipo stratus. Contudo se o ar em elevação tem inicialmente um "lapse-rate" instável ou está num estado convectivo de instabilidade, nuvens tipo cumulus, cumulonimbus e tempestades podem desenvolver-se.
Esquema 3 - Formação da seqüência de nuvens tipo stratus pela suave elevação do ar ao encontrar uma massa de ar frio.
Em 1803, o meteorologista inglês Luke Howard propôs uma classificação das variedades das nuvens baseda em sua aparência. Seu trabalho formulou a base de um sistema internacional de classificação publicado no "International Cloud Atlas" em 1896, tendo sua publicação mais recente em 1956 pela Organização Mundial de Meteorologia. Essa classificação lista 10 gêneros, ou formas, básicas subdivididas em espécies de acordo com seu formato externo e estrutura interna (vide Galeria de Fotos). Os nomes dos 10 gêneros são derivados das combinações das três classificações de nuvens de Howard: cirrus, stratus e cumulus, assumindo complementação das palavras alto para nuvens de grandes altitudes e nimbus para nuvens de chuva.
Embora a classificação das nuvens dependa da forma e aparência, um critério adicional é usado no reconhecimento tendo em vista a importante relação entre as nuvens e sua altura. Categorias de altitude são baseadas na elevação das bases ou de suas superfícies inferiores. Todos os gêneros descritos previamente podem ser incluídos nas categorias de nuvens altas, médias e baixas como mostra a Tabela I. As altitudes das nuvens variam com a latitude devido às diferenças de temperatura e quantidade de vapor d’água contido no ar do equador aos pólos.
Tabela I - Nuvens organizadas por categoria de altitude
| Nuvens Altas | Cirrus(fig.1), Cirrostratus(fig.2), Cirrocumulus(fig.3). |
|---|---|
| Nuvens Médias | Altocumulus(fig.4), Altostratus(fig.5). |
| Nuvens Baixas | Cumulus(fig.6), Cumulonimbus(fig.7, 14 e 15), Stratus(fig.8), Stratocumulus(fig.9), Nimbostratus(fig.10) |
| Figura 1 | Figura 2 | Figura 3 | Figura 4 | Figura 5 |
|---|---|---|---|---|
 |  |  |  |  |
| Figura 6 | Figura 7 | Figura 8 | Figura 9 | Figura 10 |
 |  |  |  |  |
| Figura 11 | Figura 12 | Figura 13 | Figura 14 | Figura 15 |
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Alguns tipos de nuvens se formam com condições atmosféricas raras. A nuvem da figura é estranha em sua aparência. Não surpreendente, várias pessoas associavam-nas com UFOs. Essas são nuvens altocumulus lenticularis (vide figura 11), que são altocumulus em formato de lente. Estas e outras chamadas "mountain-wave" são geradas por ventos que são desviados ao encontrar uma montanha.
A maior parte do vapor d’água está confinada na troposfera. Uma exceção é um ocasional cumulonimbus intenso, cujo topo pode penetrar na tropopausa e entrar na porção mais baixa da estratosfera. Outra exceção é a colorida "neacrous cloud", que ocorre no alto da estratosfera. As temperaturas nessa altitude (25 a 30 km) favorecem a água a ficar no estado sólido ou supercongelado. Devido à sua delicadezas e brilho de pérola, estas nuvens raramente vistas são também chamadas de nuvem pérola-mãe. Elas são melhor vistas em latitudes altas no inverno quando iluminadas pelo sol poente.
Uma misteriosa formação de nuvem é a "noctilucent cloud"(vide figura 13), que se assemelha com cirrus e ocorrem na alta mesosfera. Alguns cientistas sugerem que essas nuvens de cristais de gelo depositados em pequenas partículas de poeira de meteoritos. Elas são vistas apenas em latitudes altas durante o nascer e o pôr do sol.
Outro tipo de nuvem com curiosa aparência é a mammatus (vide figuras 12 e 13). São nuvens com protuberâncias arredondadas sob a superfície da nuvem. Esta característica ocorre geralmente com cirrus, cirrocumulus, altocumulus, altostratos, stratocumulus e cumlunimbus.